一种基于动压润滑结构的自旋转扶正器设计.pdf

第 3 3卷 第 4期 2 0 1 1 年 7月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PRODUCTI ON TECHN0LOGY V0 1 3 3 No 4 J u l y 2 0 1 1 文章 编号 ： 1 0 0 0 7 3 9 3 ( 2 0 1 1) 0 40 1 2 1 0 4 一 种基 于动压 润 滑结构 的 自旋 转扶 正器设计 叶 勇 石永军 温长飞 ( 1 中国石 油大学机电工程 学院， 山东青岛2 6 6 5 5 5 ； 2 曹凤婷 张 晨 肖 兵 华北 油田公 司采油工艺研 究院 ， 河北任丘0 6 2 5 5 2 ) 摘要 ： 针对 油田杆管偏磨 日益严 重的 问题 ， 研 究 了上 下行 程抽 油杆柱 受力特 点 ， 设 计 出一种新型 的防偏磨扶 正器。该扶正 器主要由扶正器轴、 扶正套、 接箍、 弹簧垫圈和定位块组成， 依靠动压润滑效应与扶正套的 自旋转， 将杆管间的干摩擦、 边界摩擦 变为边界摩擦、 液体摩擦 ， 将杆管间的单边磨损变为均匀磨损， 综合提高抽油杆管的工作寿命。对该扶正器在 自主设计的抽油 系统 中进 行 了性 能测试 ， 结果表 明， 当抽 油机 电机转速 达到 7 5 r mi n时动压润 滑油膜 形成 ， 杆管偏磨现 象明显 改善 。该技 术可 增加抽油杆管使用寿命、 提高油井免修周期， 为油田防偏磨提供技术支撑。 关键词 ： 动压润滑 ；自旋转；扶正器；减磨 中图分类号 ：T E 3 5 5 5 文献标识码 ：A De s ig n o f a n a u t o - r o t a t io na l c e n t r a l iz e r b a s e d o n t he l iqu id hy dr o d yn a m ic l ubr ic a t io n s t r u c t ur e Y E Y 0 n g ， S H I Y 0 n g ju n ， W E N C h a n g f e i ， C A O F e n g t i n g ， Z H A N G C h e n ， X IA O B i n g ( 1 C o l l e g e o fMe c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c E n g i n e e r i n g i n C h i n a U n i v e r s i ty o fP e t r o l e u m， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a ； 2 O i l Pr o d u c t io n T e c h n o l o g yRe s e a r c hI n s t i t u t eo fHu a b e iOi lfie M C O ， R e n q i u 0 6 2 5 5 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： W it h t h e in c r e a s in g p r o b l e ms a b o u t e c c e n t ri c we a r o f t h e p u mp in g r o d a n d t u b e g e t t in g mo r e a n d mo r e in t e n s e l y , t h e s t u d y o n the m e c h a n ic a l p r o p e r t ie s o f t h e r o d S u p a n d d o wn s o k e h a s b e e n t o o k ， a n d a n e w t y p e o f c e n t r a l iz e r p r e v e n t in g t h e e c c e n t r ic we a r b e tw e e n t h e r o d a n d tub h a s b e e n d e s ig n e d T h e c e n t r a l iz e r c o n s is t s o f c e n t r a l iz e r s h a f t ， c e n t r a l iz e r c o v e r , c o u p l in g ， s p r in g wa s h e r a n d p o s it io n i n g b l o c k De p e n d i n g o n t h e d y n a mic p r e s s u r e l u b r ic a t io n e ffe c t a n d t h e r o t a t i n g o f t h e c e n t r a l i z e r c o v e r b y i t s e l f , thi s e q u ip me n t t r a n s f e r s t h e d r y f r ic t io n ， b o u n d a ry f r ic t io n a n d t h e s id e s we a r in t o t h e b o u n d a ry f r ic t io n ， l iq u id f r ic t io n a n d t h e u n if o r m we a r b e t we e n t h e r o d a n d t h e tu b e An d t h e n t h e s e r v ic e l if e s p a n o f t h e s u c k e r r o d in c r e a s e d g r e a t l y T h e p e r f o r ma n c e o f c e n t r a l iz e r wa s t e s t e d b y a p p l ie d t o s e l f - d e s ig n e d p u mp in g s y s t e m ， a n d t h e r e s u l t s s h o w t h a t the h y d r o d y n a m ic l u b ri c a t io n fi l m wil l f o r m wh e n t h e m o t o r s p e e d r e a c h e s u p t o 7 5 r o u n d s p e r m in u t e s ， a n d t h e e c c e n tric we a r o f t h e p um p in g r o d a n d tub e is a l l e v ia t e d s ig n ifi c a n t l y T h e t e c h n o l o g y wil l in c r e a s e s t h e s e rv ic e l if e s p a n o f s u c k e r r o d a n d tub e a n d a l s o e x p a n d s t h e g u a r a n t e e p e ri o d o f t h e we l l ， wh ic h p r o v id e a t e c h n o l o g ic a l s u p p o r t for o il fi e l d S a n t i e c c e n t r ic a l l y wo m in v e s t ig a t io n K e y wo r ds ： h y d r o d y n a mic l u b ri c a t io n ； a u t o r o t a t io n ； c e n tra l iz e r ； a n t if r ic t io n 随着油井含水 的上升 和提液强度 的加大以及斜 井 、 定 向井、 水平井 比例 的大幅度提高 ， 由于油井倾 斜 以及抽油杆在下 冲程 中发生失稳 ， 有杆泵抽油井 中油管与抽油杆之 间的磨损 日益严重 ， 导致 油管磨 穿 以及抽油杆磨断现象经常发生 ， 影 响油 区的正 常 生产 。为避免这种现象 的发生 ， 通常 在杆管磨损严 重 的部位安装扶正器 ， 确保杆管不接触 ， 使杆管磨损 转变为装置 自身磨损 ， 从而减少对油管的偏磨 。 目前 ， 常用的扶正器主要有滑动式 、 滚轮式和外 滚轮式 。滑动式扶正器杆管之间 的摩擦力较大 ， 若 扶正器采用较高表面强度 的材料制成 ， 则油管磨损 严重 ；若扶正器采用较低表面强度 的材料制 成 ， 则 基金 项 目：中国石油科技创新基金 ( 编号 ： 2 0 0 9 D一 5 0 0 6 0 2 一 o 5 ) 和 国家大学生创新性 实验计 划项 目 ( 编号 ： 0 9 1 0 4 2 5 2 4 ) 资助 。 作 者简介 ：叶勇 ， 1 9 8 7年 生。在读硕 士研 究生。E ma i l ： y e y o n g 1 9 8 7 0 6 1 6 1 6 3 c o n 。 I 2 2 石油钻采工艺 2 0 1 1年 7月 ( 第 3 3 卷 ) 第 4期 扶正 器 磨 损 严 重 ， 需 要经 常更 换 扶 正 器 。滚 轮式 和 外滚轮式将杆管之 间的滑动摩擦变为滚动摩擦 ， 但 扶正器寿命较短。此外 ， 抽油杆和油管摩擦和细小 砂粒的存在也加剧 了杆管之间的磨损。为了避免抽 油杆与油管内壁之 间的磨损 ， 设计 了一种动压润滑 结构的 自旋转抽油杆扶正器 ， 该扶正器可在上下行 程 中形成动压润滑膜， 扶正套外表面加T有凹坑 ， 并 且扶正套还在井液流体压力 的作用下旋转 ， 起到磨 损均匀和收集磨粒的作用。 1 扶正器设计原理 1 1 管杆偏磨机理 在垂直井中 ， 抽油井 的管杆偏磨一般主要发生 在下冲程过程中 。对抽油杆在上下冲程时的运动 进行受力分析 。 上 冲程过程中， 抽油杆 主要承受的载荷 为向上 的拉力 、 抽油杆 在液体 中的重力 、 与液体 的摩擦力、 活塞以上液柱质量 、 井 口回压产生的压力 、 抽油杆与 液柱惯性力。当抽油杆 向上运动时， 重力 、 摩擦力 、 惯性力 、 回压产生的压力都对抽油杆产生 向下的拉 伸力 ， 只有井 内的液体浮力对抽油杆柱产生较小 的 力 。因此， 在 上冲程过程 中抽油杆上各个点基本处 于拉伸状态 ， 正常垂直井不会因抽油杆弯 曲产生偏 磨 。只有 当井身达到一定井斜时 ， 处于井斜段 的抽 油杆在上行过程中才会产生摩擦 。 下冲程 过程 中抽油杆的受力情况更为复杂， 主 要承载负荷为抽油杆在液体 中的重力 、 摩擦力 、 抽油 杆与液柱惯性力 、 振动力 、 冲击力_ 2 J 。在 中性点以上 ， 抽油杆全部承受拉力 ；中性点 以下 ， 抽油杆受到压 力作用。中性点以上的各点由于受到拉应力作用抽 油杆不会发生弯 曲变形 ， 产生偏 磨；而在中性点 以 下轴向压力使抽油杆失稳弯曲并导致抽油杆紧贴在 油管 内壁上 ， 同时振动力产生的径 向力也加剧 了抽 油杆的弯曲， 在生产过程 中管杆发生相对运动， 从而 使管杆发生偏磨 。 1 2 动 压润 滑机 理 根据经典润滑理论 ， 液 体动压润滑的产生必 须满足以下要求 ： ( 1 ) 两表面之问有相对运动 ( 滚动 或滑动 ) ； ( 2 ) 两表面之间有楔形间隙， 润滑油从大 口 进入 ； ( 3 ) 两表面之间有润滑剂 ( 有一定黏度 ) 。 在抽油杆柱和油管组成 的环形空间中， 抽油杆 和油管之间有相对运动 ， 管道中的井液有黏度， 可作 为润滑剂 ， 这就满足 了形成流体动压润滑的第 1 、 第 3 个条件。在抽油杆柱上设计一个楔形结构， 抽油杆 和油管之间就可形成楔形间隙。在下冲程 ， 由于抽 油杆柱 的运动方 向都 向下 ， 但井液相对于抽油杆的 运动方 向向上。即 当井液流经楔形油楔时 ， 是从下 往上流动的， 因此所加楔形结构应该是上大下小型 的， 这样形成 的楔形间隙是上小下大 ， 润滑剂才能从 大 广 1 流向小 口， 如图 1 所示 L 4 J 这样 ， 在抽油杆和油 管组成的环状空间 中， 就具备 了形成液体动压润滑 的 3个前提条件 。 l l l l 图 1 环 形 空 间 中的 收敛 楔 形 间 隙 在抽油杆 和油管组成的环状空 间中， 楔形结构 和油管之 间形成 的楔形 间隙围绕抽油杆呈环状分 布。若抽油杆和油管同心 ， 在同一高度 ， 抽油杆周围 各处的油膜厚度都相等 ， 产生的油膜压力也相同， 导 致形成的油膜力完全相互抵消 ， 油膜力总和为 0 ， 不 能 支撑 外载， 如 图 2 ( a ) 所示 ， 图 中箭头表示油膜 压力 的方向。当抽油杆柱产生屈 曲时， 抽油杆与油 管发生偏心 ， 杆柱上 的楔形结构也与油管发生偏心。 如图 2 ( b ) 所示 ， 在同一高度， 抽油杆周 围的油膜厚 度不相等， 产生的油膜压力也不同， 各个方 向的油膜 力不会完全抵消， 总油膜力不为 0 。可见 ， 只有在杆 、 管偏心 的情况下讨论油膜 的产生才有意义 ， 动压润 滑原理十分适用于管杆的偏磨过程 。 D ( a ) 杆、管 l 司心 ( b ) 杆 、管偏心 图 2 抽油杆周 围的油膜分布 2 设计方案和 结构 具有动压润滑效应 的白旋转扶正器主要 由扶正 器轴 、 扶正套 、 接箍 、 弹簧垫圈和定位块组成 ， 如图 3 所示。外轮廓为鼓形的扶正套安装在扶正器轴的中 段 ， 然后再安装定位块和弹簧垫圈 ， 最后将接箍通过 螺纹连接在扶正器轴的上端 ， 并通过弹簧垫圈避免 叶勇等：一种基 于动压润滑结构的 自旋转扶正器设计 l 2 3 接箍出现松脱现象。扶正器轴和接箍的外端分别设 有内螺纹 ， 以便 与抽油杆相连接 。 I 一接 箍 ： 2 -弹鬣垫 圈： 3 - 定位块 ： 4 一 歙正器轴 ： 5 一扶 正套 图 3 基 于动压 润滑效应的 自旋转扶正 器结构 将扶正套外轮廓设计成小 曲率鼓状 曲面 ， 便于 在抽油杆上下运动的过程 中形成动压液体膜 ， 抽油 杆和油管被液体膜隔开而不直接接触 ， 杆管之 间的 摩擦力显著下降 ， 从而降低 了杆管之 间的摩擦和磨 损。扶 正器轴外部设矩形 螺纹 ， 扶正套 内部设矩形 螺纹 ， 扶正器轴 和扶正套通过矩形螺纹相 配合 。对 螺纹升角进行优化 ， 既保证 了扶正套 的轴 向移动范 围， 又要使其不能 自锁 ， 螺纹升角选为 1 8 。 。在抽油 杆 上下运动过程 中， 扶正套除了轴向运动外 ， 还在井 液流体压力的作用下旋转 ， 使得扶正套与油管之 间 的磨损均匀 ， 并降低磨粒和砂粒对扶正套与油管 的 划伤。在扶 正套外表 面加 工有 凹坑 ， 在完全液体或 混合润滑情况下 ， 可起到微动压轴 承的作 用 ；在边 界摩擦情况下可起到贮存润滑剂的作用， 同时， 对于 液体润滑和干摩擦情况 ， 均能起到收集磨粒和砂粒 的作用。 此扶正器可以使抽油杆与油管之问的摩擦力大 大降低 ， 杆管间磨损均匀 ， 避免 了磨粒和砂粒对抽油 杆与油管的划 削 ， 大大减轻 了油管壁和扶正器 自身 的磨损 3 性能测试 为 了验 证扶正 器在上 下行程 中能否形成 可靠 的润滑油膜 ， 基于相似理论搭建 了抽油杆管系统物 理相似实验平 台。抽油机管杆系统实验平 台主要 由 链条式抽油机 、 无级调速电动机 、 抽油管、 抽油杆 、 抽 油机基座等组成 ， 如 图 4所示。电动机上安装有速 度显示器 ， 整个 系统使用导线将抽油杆 、 扶正器和抽 油管连接成一个 回路 ， 回路上连接有 电流表 和电源。 当扶正器和抽油管接触时 ， 回路 导通 ， 电流表显示 电 流 ；当扶正器和抽 油管分离时 ， 回路断路 ， 电流表无 读数 。抽 油管 内部液体选用和井下液体黏度相近 的 机油进行代替 ， 抽油机 的上下运动冲程为 2 1 T I ， 以此 来模拟实 际 2 0 0 0 m井下抽油杆工作情况。 图 4